Summary
Een geïntegreerd apparaat, voorzien van een kleurstof zonnecel en triplet-triplet annihilatie up-conversie-eenheid werd geproduceerd, bieden verbeterde licht oogsten, uit een breder deel van het zonnespectrum. Onder bescheiden bestraling niveaus een aanzienlijk verbeterde respons op lage energie fotonen werd aangetoond, wat een recordcijfer van verdienste voor-kleurstof zonnecellen.
Abstract
De slechte respons van kleurstof zonnecellen (DSC's) naar rood en infrarood licht is een belangrijke belemmering voor de realisatie van hogere fotostromen en dus hogere rendementen. Foton up-conversie door middel van een triplet-triplet annihilatie (TTA-UC) is een aantrekkelijke techniek voor het gebruik van deze anders verloren lage energie fotonen photocurrent produceren, terwijl het niet interfereren met de photoanodic prestaties in een schadelijke manier. Naar aanleiding van deze, TTA-UC heeft een aantal kenmerken, onderscheiden van andere gemeld foton up-conversie technologieën, waardoor het bijzonder geschikt voor het koppelen met de DSC-technologie maakt. In dit werk, een bewezen hoogwaardige TTA-UC, omvattende een palladium porfyrine sensibilisator en rubreen emitter, gecombineerd met een hoge prestatie DSC (met behulp van de organische kleurstof D149) in een geïntegreerd apparaat. Het apparaat geeft een verbeterde respons op sub-bandgap licht over de absorptie bereik van de TTA-UC sub-eenheid resulteert in de hoogste figuur van verdienste voor het up-conversie bijgestaan DSC prestaties tot nu toe.
Introduction
-Kleurstof zonnecellen (DSC's) zijn uitgeroepen als een veelbelovend concept in betaalbare zonne-energie verzamelen 1-3. Desondanks enthousiasme wijdverspreide commercialisering nog plaatsvinden. Een aantal redenen naar voren gebracht voor dit, met een dringende kwestie zijn de relatief hoge energie van de opname ontstaan, het beperken van het haalbare licht oogsten efficiëntie van deze apparaten 4. Hoewel dit kan worden overwonnen, het verlagen van de absorptie onset typisch gepaard met een daling van de nullastspanning die onevenredig erodeert elke winst in stroomdichtheid 5, 6.
De algemene werking van DSC omvat elektronoverdracht van een geëxciteerde kleurstof een halfgeleider (typisch TiO2), gevolgd door de regeneratie van de geoxideerde kleurstof door een redox mediator. Beide werkwijzen blijken belangrijke drijvende krachten (potentiële) om verder te gaan met hoge efficiency 7 vereisen 4 openingen.
Om het licht harvesting probleem hierboven gesteld overwinnen, hebben een aantal benaderingen genomen. Dit geldt ook voor de 'derde generatie' 8 benaderingen van tandem structuren 9, 10 en foton upconversion 11-14.
Onlangs 11 meldde we een geïntegreerd apparaat bestaat uit een DSC werken en contra-elektrode, met een triplet-triplet vernietiging gebaseerde up-conversie (TTA-UC)-systeem ingebouwd inde structuur. Dit element TTA-UC kon rood licht dat door de actieve laag oogsten en chemisch omzetten (zoals hieronder in detail beschreven) om hogere energie fotonen die kunnen worden opgenomen door de actieve laag van de DSC en het genereren fotostroom. Er zijn twee belangrijke punten op te merken over dit systeem. Ten eerste, TTA-UC heeft vele potentiële voordelen ten opzichte van andere foton up-conversie systemen 11; ten tweede toont een haalbare architectuur (proof-of-principle) voor de integratie van TTA-UC, die had ontbroken van de TTA-UC literatuur tot op dat moment.
Werkwijze TTA-UC 15-24 omvat de excitatie van 'sensibilisator' molecules, in casu Pd porfyrines, door licht energie onder het toestel onset energie. De singlet-enthousiast sensitizers ondergaan snelle intersystem oversteek naar de laagste energie-triplet toestand. Van daaruit kunnen ze de energie over te dragen aan een grond-state-triplet accepteren van 'zender & #8217; soorten zoals rubreen, zolang de overdracht toegestaan door vrije energie 25. De eerste triplet toestand van rubreen (T1) groter is dan de helft van de energie van de eerste aangeslagen singlet toestand (S1), maar minder dan de helft van de energie van T2, waardoor steeds ontmoetingscomplex twee triplet-aangeslagen rubrenes kan vernietigen om geven een singlet aangeslagen emitter molecule (en de andere in de grondtoestand) met een vrij hoge waarschijnlijkheid. Andere staten, statistisch voorspeld, zijn het meest waarschijnlijk energetisch ontoegankelijk voor rubreen 26. De singlet aangeslagen rubreen molecule kan vervolgens uitzenden een foton (volgens fluorescentie) met voldoende energie om de kleurstof te wekken op de werkelektrode van de DSC. Dit proces wordt getoond in Animatie 1.
TTA-UC biedt een aantal voordelen ten opzichte van andere UC systemen, zoals een breed absorptiespectrum en onsamenhangend natuur 27, 28, waardoor het een aantrekkelijke optie voor couPling met DSC (evenals OPV). TTA-UC is aangetoond werken bij relatief lage lichtintensiteiten en in diffuus licht. Zowel DSC en OPV zijn het meest efficiënt in het lage licht regime intensiteit. Zonne-concentratie is duur en alleen te rechtvaardigen voor een hoge efficiëntie, hoge kosten apparaten. De relatief hoge prestaties van TTA-UC-systemen in een lage intensiteit lichtomstandigheden is toe te schrijven aan het proces waarbij sensibiliserend chromoforen met een sterke, brede absorptie bands in concert met langlevende triplet toestanden die in staat zijn te diffunderen in orde zijn in contact met de interactie soorten komen . Daarnaast heeft TTA-UC bleken hoge intrinsieke efficiëntie van een kinetische studie 26.
Hoewel TTA-UC werkt bij lage lichtintensiteit, er nog steeds een kwadratische relatie tussen invallende lichtintensiteit en uitgezonden licht (althans bij lage lichtintensiteiten). Dit komt door de bimoleculaire aard van het proces. Om rekening te houdenvoor deze en de gevarieerde experimentele omstandigheden (in het bijzonder de lichtintensiteit) gerapporteerd door verschillende groepen, moet een cijfer van verdienste (FOM)-systeem worden gebruikt om te meten de verbetering van de prestaties die door up-conversie. Deze FoM is gedefinieerd als ΔJ SC / ʘ, waar ΔJ SC is de stijging van de kortsluitstroom (meestal bepaald door integratie van de Incident Photon aan Vervoerder Efficiency, Ipce, met en zonder de up-conversie effect opladen) en ʘ is de effectieve zonne- concentratie (gebaseerd op de foton flux in de relevante regio, dat de Q-band opname van de sensibilisator) 2 29.
Hierin is een protocol voor het produceren en correct karakteriseren een geïntegreerde DSC-TTA-UC-apparaat gemeld, met speciale aandacht voor mogelijke valkuilen bij het testen apparaat. Het is te hopen dat dit zal dienen als basis voor verdere werkzaamheden op dit gebied.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 DSC Fabrication
1.1. Werken elektrode Voorbereiding
- Schoon een heel vel van F: Sno2 gecoat glas (110 mm × 110 mm × 2,3 mm, <8 Ω / □) door sonicatie opeenvolgend in een sopje, dan aceton en tenslotte ethanol (10 min elk).
- Stort een dichte laag van TiO 2 van de volgende stappen:
- Droog glas met perslucht en warmte glas 450 ° C op verwarmingsplaat (geleidende omhoog).
- Verdun titanium diisopropoxide bis (acetylacetonaat) (75 gew% in isopropanol) met ethanol in een 1: 9 verhouding.
- Spuit de verdunde oplossing op verwarmd glas op een afstand van ~ 100 mm, met vijf sprays over de glasplaat.
- Spray een ronde per 10 sec voor 12 ronden.
- Houd glas bij 450 ° C nog eens 5 min vóór het uitschakelen van de kookzone. Laat het glas op kookplaat en laat het langzaam afkoelen tot kamertemperatuur.
- Plaats het glas ophet scherm printer tafel (wederom geleidende kant boven). Steek scherm en lijn patroon op glas. Voeg TiO 2 plakken om het scherm en afdrukken van een of twee lagen. Als het deponeren van twee lagen, te verwijderen glasplaat van de printer tussen prints, dekken en te regelen voor ~ 5 min, daarna hitte tot 125 ° C gedurende 10 minuten alvorens terug te keren naar de printer om een volgende laag te drukken.
- Zodra de uiteindelijke afdruk wordt gemaakt run een volledige sinter programma. Verwarm de elektroden 150 ° C 12,5 ° / min en 10 min, daarna tot 325 ° C op 11.7 ° / min en 5 min, daarna tot 375 ° C bij 10 ° / min en 5 min, daarna 450 ° C op 10.7 ° / min en 30 min en tenslotte tot 500 ° C bij 10 ° / min en 15 min. Langzaam afkoelen tot kamertemperatuur na deze.
- Snijd de hoofdplaat in afzonderlijke elektroden zodat er voldoende ruimte rond het bedrukte folie voor de pakking na te passen. Verwijder eventuele glasscherven met perslucht.
- Dompel de elektroden in een 20 mM TiCI4
- Eenmaal afgekoeld tot beneden 100 ° C, dompel de elektroden in een 0,5 mM kleurstofoplossing. In dit geval gebruik D149 in acetonitril: tertbutanol (1: 1).
- Na het verven O / N verwijder de elektroden en spoel krachtig in acetonitril ~ 30 seconden staan dan zitten nog eens 30 sec. Trekken elektroden van de spoelen bad en droog met perslucht.
1.2. Counter Electrode Voorbereiding
- Snijd een ander blad van 2,3 mm F: Sno2 glas in 18,3 mm × 27,5 mm stukken.
- Dompel tegenelektrode in water en boor een gaatje in de hoek (φ = 1 mm, 2,5 mm vanaf elke hoek) te gebruiken als een vulopening, met een diamantgereedschap tandheelkundige braam gemonteerd in een kleine bench boor.
- Clean tegenelektrode zoals bepaald in punt 1.1.1
- Droog tegenelektrode en leg ze op een tegel met geleidende kant naar boven. Breng een druppel platinazuur oplossing (H2 PtCl 6, 10 mM in ethanol) en verspreid met het uiteinde van een pipet. Plaats tegel op voorverwarmd (400 ° C) kookplaat 15 minuten. Na deze, verwijder glas en tegels en laat afkoelen op een bankje.
1.3. Reflector
- Snijd een stuk geleidende 2 mm glas 18.3 mm x 27.5 mm Boor twee gaten in aangrenzende hoeken langs de lange zijde, met dezelfde techniek als de tegenelektrode (sectie 1.2.2).
- Schoon glas, een keer met hetzelfde protocol als hierboven (1.1.1)
- Tape het schoon, droog glas naar de bench aan drie kanten, met behulp van lage residu tape. Breng een druppel van Al 2 O 3 plakken (2,0 g van 0,3 micrometer Al 2 O 3 deeltjes, 2 ml colloïdaal Al 2 O 3 + 1 ml ethanol) en trek naar beneden met een glazen staaf.
- Laat film te drogen, verwijder de tape en sinter glas bij 500 ° C gedurende 30 minuten.
1.4. Apparaat Montage
- Snij twee batches van smeltlijm pakkingen.
OPMERKING: De eerste, voor de DSC, is 25 micrometer dik en heeft inwendige afmetingen van 17 mm x 8 mm en de externe dimensie van 21 mm × 12 mm. De sec, voor de up-conversie kamer, maakt gebruik van 60 micrometer pakkingmateriaal verdubbeld tot 120 micrometer dikte geven. In opgevouwen toestand, deze pakking heeft inwendige afmetingen van 17 mm x 21 mm en de externe dimensie van 21 mm × 25 mm. - Plaats de eerste afdichting in de hoek van de tegenelektrode, waarbij de vulopening toegankelijk. Plaats de werkelektrode gedurende deze, zodat het afgedrukte gebied geheel binnen de pakking, en het verkrijgen van een goede afdichting.
- Verplaats deze vergadering een kookplaat (120 ° C) en druk uit te oefenen totdat de pakking verzacht en smelt, die visueel kan worden waargenomen als de pakking regenbanden de glasoppervlakken. Verwijder de montage en laat afkoelen.
- Plaatstweede pakking op reflector, worden wederom zorgen vulopeningen niet gedekt. Plaats DSC bovenaan zodat het afgedrukte gebied direct voor de afgedrukte alumina reflector. Opnieuw verwarmen apparaat tijdens het toepassen van druk, totdat de pakking verzacht en houdt zich, zoals in paragraaf 1.4.3. Dit samenstel is weergegeven in figuur 1.
1.5. Het vullen van Holten
- Bereid een elektrolytoplossing van 0,1 M Lil, 0,6 M 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium jodide en 0,05 M jodium in methoxypropionitril.
- Plaats het toestel in een plastic container met vacuümbuis aangebracht, met de tegenelektrode naar boven.
- Een druppel van de elektrolytoplossing over de opening en een stuk glas bovenop. Breng vacuüm gedurende enkele seconden om lucht vanuit de DSC holte, voor het vrijgeven, die elektrolyt zal trekken in de holte.
- Bereid de zegels door het lamineren van hot melt pakking materiaal op aluminiumfolie. Laat deze op een kookplaat, Gasket materiaal naar boven. Reinig de achterkant van de tegenelektrode grondig verzegel door persinrichting tegen pakkingmateriaal voor ~ 5 sec.
- Bereid TTA-UC-oplossing door oplossen van 0,6 mM Pd kleurstof (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6'-amino-7'-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) palladium (II)) en 22 mM van rubreen in benzeen. Ontlucht deze oplossing grondig met vloeibare stikstof drie vries-pomp-dooi cycli.
- Binnen een dashboardkastje, introduceren de TTA-UC-oplossing in de back cavity, waardoor capillaire krachten om het te tekenen door. Eenmaal vol, nogmaals het oppervlak grondig te reinigen en af te dichten met een ander stuk aluminium back pakkingmateriaal.
2 Meting
2.1. Elektrische contacten
- Solliciteer soldeer blootgesteld F: Sno2 van werken en tegenelektroden met sonische soldeerbout en passende soldeer. Bevestig de draden aan anode en kathode met normale soldeer.
- Toepassing van UV-uithardende epoxy om randen te openen.
Opmerking: Dit wordt gedaan om te dienen als een secundaire inkapseling van de inrichting tegen zuurstof binnendringen en oplosmiddel verdamping, evenals het verhogen van de robuustheid van de inrichting, met name de draad attachment. - Bevestig de anode en kathode draad aan een open-ended BNC-kabel via een terminal blok.
2.2. Ipce meetopstelling
- Met behulp van de schematisch weergegeven in figuur 2 setup, monteer de geïntegreerde apparaat op een cel houder.
- Verlicht een gedeelte van de geïntegreerde inrichting (~ 2 mm x 1 mm) met een 670 nm laserbundel continue golf (de pompbundel ') via een spiegel op een verstelbare mount.
- Verlichten de geïntegreerde TTA-UC DSC met onsamenhangende quasi-monochromatisch licht (de 'sonde beam') gegenereerd met behulp van een Xe-lamp, ging eerst door een 405 nm longpass filter, dan een Chopper wiel werkend bij 29 Hz, een monochromator, een schuine glasplaatje (hier gebruikt als een ~ 4% beam splitter) en een parabolische spiegel. Genereer een achtergrond triplet bevolking in de TTA-UC laag prikkelen de UC laag met de pompbundel, die invalt onder een zodanige hoek dat het niet verlichten de getaste DSC actieve laag maar alleen de UC laag.
- Lijn de pomp en probe straal op de TTA-UC laag met behulp van de verstelbare spiegel monteren. Meet de kortsluitstroom die door de sonde wordt gescand over het zichtbare spectrum in stappen van 5 nm met een dynamische signaal van toestellen, stroomversterker en interne besturingssoftware.
- Tegelijkertijd nemen de kracht variatie van de probe gereflecteerde het glaasje met een vermogensmeter en een fotodiode met analoge uitgangssignaal naar de signaalregistratie apparaat. Corrigeer de J SC uit het apparaat door de sonde variatie in de software.
- Verplaats de pomp bundel licht met behulp van de verstelbare spiegel mount, zodat het raakt de actieve laag van de inrichting naast de sonde bundel. Herhaal de meting met de pomp en probe straal uitgelijnd.
- Noteer zes sets metingen met uitlijning en uitlijning op dezelfde posities betere signaal ruisverhouding.
- Verminder de pomp lichtintensiteit door het plaatsen van de pomp balk verschillende grijsfilters met bekende transmissies op 670 nm, en herhaal de stappen 2.2.4 tot en met 2.2.7 voor een reeks van intensiteiten.
- Meet de geïntegreerde apparaat J SC zonder de pomp balk bron actief is.
- Meet de probe stroom in op het DSC betreft de stroom gegenereerd door de fotodiode door het plaatsen van de fotodiode op de monsterpositie.
- Meet de overbrenging van de bestudeerde toestel met de UC kamer verwijderd met een UV-Visible Spectrofotometer de transmissie spectrum, T DSC verkrijgen.
Opmerking: Dit kan afwisselend worden uitgevoerd tussen stappen 1.4 en 1.5.
- Meet de pomp bundel vermogen bij de DSC positie voor elke filtering conditie gebruikt, met behulp van de fotodiode en power meter (zoals beschreven in paragraaf 2.2.10).
- Neem een foto van de pompbundel projecteert op een stuk netdocument op een positie gelijkwaardig aan waar de TTA laag was tijdens het experiment. Zwaar verzwakken de bundel eventueel verzadiging van de camera detector voorkomen. Gebruik deze afbeelding en beeldanalyse software om de spot pomp maat te bepalen.
3 Verwerking van gegevens
3.1. Interpoleren Alle gegevens tot 1 nm Verhoogt.
3.2. Ipce Bepaling
- Bereken de foton flux (φ) bereiken de geïntegreerde inrichting van de sonde gemeten vermogen als stroom gegenereerd door de fotodiode (I) en elektrische lading (q):
- Bereken de cel incident foton om geconverteerde elektron efficiëntie (Ipce 0) van de device van de J SC meting zonder verlichting pomp en de sonde flux.
- Neem de verhoudingen tussen de metingen met pomp en probe afgestemd en uitgelijnd met de relatieve verbeteringen te verkrijgen van het activeren van de up-converter.
- Solar concentratie factor bepaling
- Omzetten van de extinctiecoëfficiënt van de sensitizer in sectie absorptiedoorsnede, σ.
- Het verkrijgen van de excitatie tarief van de sensitizer onder de standaard AM1.5G zonnespectrum, (k φ) door het nemen van de producten van de foton flux dichtheid van het zonnespectrum, doorlaatbaarheid van de DSC en de sensibiliserend (σ) bij elke golflengte en dan het optellen van de producten over de sensitizer Q-band absorptie, typisch 600 nm tot 750 nm.
- Berekenen van de bevoegdheden en de puntgrootte van de bron pomp, het foton flux dichtheid van de pomp met verschillende grijsfilters. Vervolgens neemt u de producten van de fluxdichtheden, doorlaatbaarheid van de DSC en de sensibiliserend bij670 nm de pomp excitatie tarieven aan.
- Bereken de zonne-concentratiefactor (ʘ) van de verhouding van de pomp excitatie tarief voor de excitatie tarief onder AM1.5G voorwaarden.
3.3. Model Montage en Cijfers van Verdienste Bepaling
- Breng een model van de relatieve versterking = 1 + constant × (T DSC / Ipce 0) x [(σ pomp × σ probe) / (σ pump + σ probe)], op de experimentele resultaten enhancement, waar σ pomp en σ probe dwarsdoorsneden ten opzichte van de pomp en probe golflengten; σ pomp wordt vastgesteld voor elke pomp intensiteit en σ sonde varieert met de golflengte.
- Schat de verbetering in de J SC verkregen van de up-conversie-effect (ΔJ SC) van de verschillen tussen Ipce UC en Ipce 0 en de zonne flux dichthy.
- Bereken de FoM door het normaliseren ΔJ SC door het kwadraat van zonne-concentratie factor, omdat TTA-UC heeft een kwadratische afhankelijkheid van vermogen bij lage excitatie-intensiteit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuren 3A - D enhancement elkaar responsen gemeten onder verschillende meetomstandigheden, de effecten in meer detail hieronder. Uit de stroomdichtheid verbeteringen ruw moet duidelijk zijn dat de resultaten in Figuur 4A en 4B zijn toegeschreven aan upconversion, de piekstroom verbetering en Ipce verbetering goed overeenkomen met het absorptiespectrum van de sensibilisator, verzwakt door transmissie door de actieve laag van de DSC.
Om meting artefacten geïntroduceerd door laser voorspannen van het pompbundel voorkomen is aangepast om te komen tot de UC laag bij een grotere hoek de testbundel, schematisch weergegeven in figuur 2. Figuur 4A toont verbetering zonder significant vertekenende zin dat beide figuren 4C en 4D worden beïnvloed door dit probleem. Het gevolg van correct alignment van afmetingen wordt weergegeven in figuur 4A, waar het verschil in J SC weerspiegelt de eigenschap absorptie van de sensibilisator die een absorptiepiek bij 675 nm heeft. Naast het absorptiegebied van de sensibilisator en het transparante gebied van de inrichting, wordt het verschil in J SC ingebed in geluid.
Een significante relatieve Ipce versterking van de geïntegreerde inrichting in het rode einde van het zichtbare spectrum worden waargenomen in Figuur 4C. Echter, de inzet van figuur 4C, die het verschil tussen de op elkaar afgestemd en uitgelijnd J SC metingen blijkt, strookt niet met de spectrale eigenschap van het sensibiliserend. De uitlijning van pomp en probe lijken de cel prestatie over het gehele zichtbare spectrum verhogen en stelt de verbetering afkomstig uit trap vullen die de totale prestatie van de inrichting verbetert, door laser vertekenende 30.
Om verify het vermoeden, werd het geïntegreerd apparaat vervangen door een analoog apparaat, behalve dat de UC kamer werd leeg gelaten (Figuur 4D). Onder de identieke experimentele conditie, is verbetering gevonden in het hele zichtbare spectrum. Het bevestigt de eerdere enhancement effect komt van laser-vertekenende plaats van TTA-UC. Bij de inrichting zonder TTA-UC oplossing, aangezien het merendeel van de laser naar het apparaat wordt gestort, de vertekenende effect nog groter.
Figuur 5 uitwerking is de in de figuren 4A en 4B resultaten. In dit geval, de lichtsterkte van de pompbundel werd ingesteld 6-27 ʘ. ΔJ SC wordt gezien op schaal met het kwadraat van de lichtintensiteit, volgens verwachting (power wet past 2.02). Als zodanig is de FoM gezien lichtintensiteit onafhankelijk zijn, suggereert dat het TTA-UC wordt beperkt door bimoleculaire processen.
: Keep-together.within-page = "always"> 
Animatie 1:. Schematische werking van triplet-triplet annihilatie foton up-conversie met PQ4PdNA sensibiliserend en rubreen emitter, wat resulteert in de verlichting van de D149 kleurstof en de daaropvolgende elektron injectie in TiO 2 Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 1 Inrichting configuratie voorafgaand aan het inbrengen van vloeibare componenten. Lagen zijn samen en verzegeld door toepassing van warmte aan de pakking lagen verzachten."> Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2 Opstelling voor de verhoging meting. Het geïntegreerde inrichting wordt bestraald door gemoduleerd incoherent monochromatisch licht van een witte lichtbron (laser aangedreven lamp) door een monochromator en achromatically gericht op het monster door een off-as parabolische spiegel. De sonde licht wordt gesplitst met een glasfilter (beam slitter) en het gereflecteerde licht probe wordt gedetecteerd door een fotodiode aan een energiemeter. De TTA-UC laag van het geïntegreerd apparaat is continu opgewonden door een 670 nm continue golf laser (pomp) naar de achtergrond drieling te genereren om de TTA-UC enhancement effect worden onderzocht met de zwakke monochromatische lichtbundel. De uitgangsstroom van de inrichting wordt via een stroomversterker en measured door lock-in versterking. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3 Vertegenwoordiger gegevens waaruit blijkt (a) de relatieve Ipce enhancement (col (uitgelijnd) / col (Verkeerd uitgelijnde) en response verschil (col (uitgelijnd) col (Verkeerd uitgelijnde) gemiddeld uit zes uitgelijnd en zes uitgelijnd metingen. De respons verschil bevestigt de spectrale vorm van Ipce verbetering is van sub-bandgap licht geoogst door de sensibilisator van de up-convertor, zoals de versterking spectrale vorm past bij de Q-band opname van de sensibilisator en (B) de relatieve versterking model ingericht (eerder beschreven 31) op een experimentele Ipce verbetering curve door least-kwadraten fitting. Het model omvat cel transmissie, de oorspronkelijke cel Ipce (geen pomp) en het sensibiliserend absorptie doorsnede die overeenkomt met de sonde en de bron pomp. De gemodelleerde enhancement curve wordt vervolgens gebruikt voor de berekening van extra kortsluitstroom gegenereerd op basis van TTA-UC en dus FoM. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4 Ipce enhancement (onder 27 ʘ) traces voor (A) een geïntegreerd apparaat met de juiste uitlijning meting (inzet met de winst in ruwe reactie), (B) gemodelleerd relatieve Ipce enhancement trace voor de gegevens in (A) met de inzet die de raw huidige respons curves van de inrichting with pomp en probe straal uitgelijnd en uitgelijnd (C) dezelfde inrichting als in (A) behalve dat de pomp en probe die zich op dezelfde plaats op de actieve elektrode, waardoor een meting artefact in de tekst (D) een beschreven soortgelijk hulpmiddel met een lege UC kamer, gemeten volgens (C), verder de nadruk deze meting probleem, met inzet die de winst in ruwe reactie. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5 FoM afhankelijkheid van het geïntegreerd apparaat op zonne-concentratie factor. Inzet toont de afhankelijkheid van de berekende huidige winst (ΔJ SC) van TTA-UC met beide assen opeen logaritmische schaal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit protocol voorziet in een middel om foton up-conversie verbeterde DSC en informatie over hoe je een dergelijk apparaat correct te meten bereiken. Het FoM zorgt voor de eenvoudige berekening van het verwachte verbeteringen ΔJ SC worden verwacht bij verschillende lichtintensiteiten, ook op 1 zon. De hier getoonde waarden zijn invariant met lichtintensiteit (inzet van figuur 4), volgens verwachting wanneer het systeem onder de verzadiging drempel 33. Met de FoM, kunnen we de versterking effect van TTA-UC of andere niet lineaire UC processen te standaardiseren om gemakkelijke vergelijking mogelijk te maken.
Hoewel de FoM waarden verkregen in deze studie zijn de hoogste van de gerapporteerde FOMS voor DSC's, ze zijn nog verre van commercieel belang (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). Daarnaast kunnen verbeteringen van deze schaal problematisch meten. In dit rapport (in het bijzonder in de figuren 3C en 3D) ee gevaren van onjuiste meettechniek worden getoond, waar de pomp straal veroorzaakt een (enigszins) onverwacht probleem. Dit probleem kan uniek zijn voor DSC's zijn, maar als er enige onzekerheid is het cruciaal dat de controle-experimenten (zoals weergegeven in figuur 3D) worden uitgevoerd en voorwaarden dienovereenkomstig gewijzigd.
Er zijn een aantal beperkende factoren die de prestaties van TTA-UC beperken. Allereerst is het triplet vervalsnelheid van de emitter, rubreen (~ 8.000 sec -1 34), die veel sneller is dan de excitatie snelheid van de sensibilisator onder 1 ʘ verlichting (6,8 sec -1), terwijl de TTA percentage rubreen drietallen slechts ~ 1 x 10 8 M -1 sec -1, drie orden van grootte onder de diffusie maximaal aantal rubreen in gangbare organische oplosmiddelen 35. Het gevolg hiervan is de meerderheid van triplet rubreen vervalt naar de grondtoestand voordat TTA.
Omverlagen de hoeveelheid rubreen drietallen ondergaan unimoleculaire verval voordat TTA kan proberen de tripletconcentratie verhogen door verhoging van de concentratie sensibilisator. Helaas, porfyrinen in oplossing de neiging om te aggregeren bij hoge concentraties en sensibilisator-sensibilisator TTA plaatsvinden. Een mogelijke oplossing voor deze problemen te overwinnen is om sensitizers hechten op anorganische nanodeeltjes oppervlakken 36. Als zodanig hoge concentraties (relatief) geïmmobiliseerd sensibilisator kan worden ondergebracht met verminderde zelf-uitdoving, en kan de plaatselijke concentratie van triplets voor efficiënte TTA verhogen.
De sensibilisator die in deze studie is niet ideaal voor de gekoppelde DSC, als de Q-band absorptie van het porfyrine overlapt met DSC absorptie aanzet (600-700 nm). Er zijn dus verliezen in doorvallend licht vindt TTA-UC, de efficiëntie afhangt van tripletconcentratie en dus foton flux. We verwachten dat meten een meer significant enhancement met een sensibilisator die dieper in het nabije infrarood met gelijke intersysteemkruising efficiëntie degene die in deze studie absorbeert. Het FoM biedt een handige metrische vergelijking, indien en wanneer een dergelijk systeem wordt gekenmerkt.
De kleurstof die hier gebruikt, D149, is een van de best presterende organische kleurstoffen verkrijgbaar voor DSC, maar anderen, zoals de N719 of "zwarte kleurstof" hebben verder roodverschoven absorptie aanzetten 3. Om TTA-UC om deze apparaten, geschikt porphyrines met Q-band absorptie verbeteren bij golflengten moet groter zijn dan 900 nm tot aangemaakt. Anderzijds, de hoogste gemelde DSC efficiëntie date heeft een absorptie begin van ~ 730 nm 37, slechts marginaal boven de aanzet van de hier gebruikte kleurstof.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6’-amino-7’-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) palladium(II)) | in house | in house | Chem. Commun., 4851–4853 (2007) |
| 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide | Solaronix | 33150 | Material warning: Irritant |
| 405 nm longpass filter | Semrock | BLP01-405R-25 | - |
| 670 nm laser | Thorlabs | LDS5 + CPS198 | - |
| Acetone | Chemsupply | AA008-20L-P | Material warning: Flammable |
| Acetonitrile | Sigma | 271004 | Material warning: Flammable |
| Alumina | Alfa Aesar | 12733 | |
| Alumina | Leeco | 810-782 | |
| Back filling chamber | Sistema | 1303 | Klip it round, modified |
| Benzene | Scharlau | BE0033 | Material warning: Toxic |
| BNC cable | Jaycar | RG- 59U | |
| Cerasolzer | MBR | CS186 | |
| Chopper wheel | Thorlabs | MC1000A | |
| Control software | in house | in house | Written in LabVIEW |
| Current Amplifier | Standford Research | SR 570 | |
| D149 dye | 1m | OSO149 | |
| Dental burr | Priority dental supplies | 835.104.008 | |
| Detergent | Palmolive | Original | |
| Diamond wheel | Frameco | 14220 | |
| Drill | Dremmel | 220 | |
| Dynamic dignal acquisition device | National Instruments | USB-4431 | Analog to Digital |
| Ethanol | Univar | 214 | Material warning: Flammable |
| Glovebox | IT systems | ||
| H2PtCl6 | Sigma | 334472 | Material warning: corrosive |
| Hot melt adhesive gasket | Solaronix | Meltronic 1170-25 | Surlyn |
| Hot melt adhesive gasket | Solaronix | Meltronix 1170-60 | Surlyn |
| Hotplate | Harry Gestigkeit | PR 5 3T / PZ28-3T | |
| Hotplate | IKA | RCT basic | |
| Image analysis software | National Institutes for Health | Image-J | |
| Iodine | Sigma | 326143 | Material warning: corrosive |
| Laser engraver | Universal Laser Systems | PLS6WM | |
| Liquid Nitrogen | Air Liquide | ||
| Lithium Iodide | Aldrich | 518018 | Material warning: toxic |
| Methoxypropionitrile | Sigma | 65290 | Material warning: Flammable |
| Mirror | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Mirror mount | Thorlabs | KM100 | |
| Monochromator | Spectral Products | CM110 | |
| Neutral density filters | Edmund Industrial Optics | 64-352 | |
| Parabolic mirror | Newport | 50329AL, 50338AL | |
| Photodiode | Newport | 918D-UV-OD3 | |
| Power meter | Newport | 1936-C | |
| Rubrene | Sigma | 551112 | |
| Semi-automatic screen printer | Keywell | KY-500FH | |
| Spray pyrolyser | Glaskeller | ||
| Tape | 3M | Magic Tape | |
| Terminal block | Jaycar | HM3194 | |
| tert-Butanol | Sigma | 360538 | Material warning: Flammable |
| TiCl4 | Sigma | 89545 | Material warning: corrosive |
| Tile | Johnson tiles | ||
| Tile cutter | DTA | DTA-310 | |
| TiO2 paste | Dyesol | NR18-T | - |
| Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) (75% in isopropanol) | Aldrich | 325252 | Material warning: Flammable |
| Ultrasonic soldering iron | MBR | USS-9200 | |
| UV cure epoxy | Dymax | 425 | Material warning: Irritant |
| UV cure system | Dymax | BlueWave 50 | |
| UV Visible Spectrophotometer | Varian Cary | 1E | |
| Vacuum cuvette | Custom made | Custom made | |
| Vacuum pump | Rotary backed diffusion pump | ||
| Wipes | Kimtech | 34120KC | Kimwipes |
| Xe lamp | Energetiq | LDLSTM EQ-1500 | White light source |
References
- O'Regan, B., Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar-cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353, 737-740 (1991).
- Grätzel, M.
- Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L., Pettersson, H.
- Tayebjee, M. J. Y., Hirst, L. C., Ekins-Daukes, N. J., Schmidt, T. W. The efficiency limit of solar cells with molecular absorbers: A master equation approach. J. Appl. Phys. 108, 124506 (2010).
- Daeneke, T., Gräf, K., Watkins, S. E., Thelakkat, M., Bach, U. Infrared Sensitizers in Titania-Based Dye-Sensitized Solar Cells using a Dimethylferrocene Electrolyte. ChemSusChem. 6, 2056-2060 (2013).
- Tian, H. N., Yang, X., Chen, R., Hagfelt, A., Sun, L. A metal-free "black dye" for panchromatic dye-sensitized solar cells. Energ. Environ. Sci. 2 (6), 674-677 (2009).
- Daeneke, T., et al. Dye Regeneration Kinetics in Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (41), 16925-16928 (2012).
- Green, M. A. Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion. , Springer. New York, NY. Series in Photonics (2003).
- He, J. J., Lindström, H., Hagfeldt, A., Lindquist, S. E. Dye-sensitized nanostructured p-type nickel oxide film as a photocathode for a solar cell. J. Phys. Chem. B. 103 (42), 8940-8943 (1999).
- Nattestad, A., et al. Highly efficient photocathodes for dye-sensitized tandem solar cells. Nat. Mater. 9 (1), 31-35 (2010).
- Nattestad, A., et al. Dye-Sensitized Solar Cell with Integrated Triplet-Triplet Annihilation Upconversion System. J. Phys. Chem. Lett. 4 (12), 2073-2078 (2013).
- Liu, M., Lu, Y., Xie, Z. B., Chow, G. M. Enhancing Near-Infrared Solar Cell Response Using Upconverting Transparent Ceramics. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 95, 800-803 (2011).
- Shan, G. B., Demopolous, G. P. Near-Infrared Sunlight Harvesting in Dye-Sensitized Solar Cells Via the Insertion of an Upconverter-TiO2 Nanocomposite Layer. Adv. Mater. 22, 4374-4377 (2010).
- Yuan, C., et al. Use of Colloidal Upconversion Nanocrystals for Energy Relay Solar Cell Light Harvesting in the Near-Infrared Region. J. Mater. Chem. 22, 16709-16713 (2012).
- Cheng, Y. Y., et al. Molecular Approaches to Third Generation Photovoltaics: Photochemical Up-conversion. Next Generation (Nano) Photonic and Cell Technologies for Solar Energy Conversion. , 7772-7777 (2010).
- Parker, C. A., Hatchard, C. G. Delayed Fluorescence from solutions of Anthracene and Phenanthracene. P. R. Soc. London. 269, 574-584 (1962).
- Zhao, J., Ji, S., Guo, H. Triplet-Triplet Annihilation Based Upconversion: From Triplet Sensitizers and Triplet Acceptors to Upconversion Quantum Yields. RSC Adv. 1, 937-950 (2011).
- Singh-Rachford, T. N., Castellano, F. N. Photon Upconversion Based on Sensitized Triplet-Triplet Annihilation. Coordin. Chem. Rev. 254, 2560-2573 (2010).
- Baluschev, S., et al. Up-Conversion Fluorescence: Noncoherent Excitation by Sunlight. Phys. Rev. Lett. 97, 143903 (2006).
- Ceroni, P. Energy Up-Conversion by Low-Power Excitation: New Applications of an Old Concept. Chem. Eur. J. 17, 9560-9564 (2011).
- Penconi, M., Ortica, F., Elisei, F., Gentili, P. G. New Molecular Pairs for Low Power Non-Coherent Triplet-Triplet Annihilation Based Upconversion: Dependence on the Triplet Energies of Sensitizer and Emitter. J. Lumin. 135, 265-270 (2013).
- Liu, Q., Yang, T., Feng, F., Li, F. Blue-Emissive Upconversion Nanoparticles for Low-Power-Excited Bioimaging in Vivo. J. Am. Chem. Soc. 134, 5390-5397 (2012).
- Simon, Y. C., Weder, C. Low-Power Photon Upconversion through Triplet-Triplet Annihilation in Polymers. J. Mater. Chem. 22, 20817-20830 (2012).
- Jankus, V., et al. Energy Conversion via Triplet Fusion in Super Yellow PPV Films Doped with Palladium Tetraphenyltetrabenzoporphyrin: a Comprehensive Investigation of Exciton Dynamics. Adv. Funct. Mater. 23, 384-393 (2013).
- Cheng, Y. Y., et al.
- Cheng, Y. Y., et al. Kinetic Analysis of Photochemical Upconversion by Triplet-Triplet Annihilation: Beyond Any Spin Statistical Limit. J. Phys. Chem. Lett. 1 (12), 1795-1799 (2010).
- Baluschev, B., et al. Upconversion with ultrabroad excitation band: Simultaneous use of two sensitizers. Appl. Phys. Lett. 90, 181103 (2007).
- Borjesson, K., et al. Photon upconversion facilitated molecular solar energy storage. J. Mater. Chem. A. 1, 8521-8524 (2013).
- Cheng, Y. Y., et al. Improving the light-harvesting of amorphous silicon solar cells with photochemical upconversion. Energ. Environ. Sci. 5 (5), 6953-6959 (2012).
- Dominici, L. Dye-Sensitized Solar Cells: Basic Photon Management Strategies. Solar Cells - Dye-Sensitized Devices. Kosyachenko, L. A. , InTech. 291 (2011).
- Schulze, T. F., et al. Photochemical Upconversion Enhanced Solar Cells: Effect of a Back Reflector. Aust. J. Chem. 65 (5), 480-485 (2012).
- Schulze, T. F., et al. Efficiency Enhancement of Organic and Thin-Film Silicon Solar Cells with Photochemical Upconversion. J. Phys. Chem. C. 116 (43), 22794-22801 (2012).
- Haefele, A., Blumhoff, B., Khnayzer, R. S., Castellano, F. Getting to the (Square) Root of the Problem: How to Make Noncoherent Pumped Upconversion Linear. J. Phys. Chem. Lett. 3, 299-303 (2012).
- Lewitzka, F., Löhmannsröben, H. G. Investigation of Triplet Teracene and Triplet Rubrene in Solution. Z. Phys. Chem. 150, 69-86 (1986).
- Ventura, B., Esposti, A. D., Koszarna, B., Gryko, D. T., Flamigni, L. Photophysical characterization of free-base corroles, promising chromophores for light energy conversion and singlet oxygen generation. New J. Chem. 29, 1559-1566 (2005).
- MacQueen, R. W., et al. Nanostructured upconverters for improved solar cell performance. Proceedings SPIE. 8824, 882408-882409 (2013).
- Yella, A., et al. Porpyrin-sensitized Solar Cells with Cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency. Science. 334, 629-634 (2011).
